Tribologia e reologia | Officina

La tribologia è la scienza dello strisciamento, e quindi interessa fondamentalmente il contatto tra i solidi. La reologia invece è quella dello scorrimento e di conseguenza entra in gioco quando due parti in movimento relativo sono completamente separate da un lubrificante.

Oli, tribologia e reologia

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L’olio deve avere eccellenti caratteristiche sia tribologiche che reologiche. All’interno del motore alcuni componenti funzionano letteralmente galleggiando su di uno strato lubrificante che separa le loro superfici (regime idrodinamico, che per instaurarsi richiede una notevole velocità relativa tra le parti). Ciò assicura una notevole riduzione dell’attrito. A contare è qui la viscosità dell’olio.

Fondamentalmente gli organi interessati sono le bronzine e i pistoni, per parte della loro corsa. Per altri organi però i contatti metallici, più o meno estesi a seconda dei casi, sono inevitabili e a sopportare il carico sono le microasperità delle superfici (regime limite). Il velo d’olio presente contribuisce comunque a ridurre l’attrito grazie alle sue proprietà tribologiche.

C’è poi una situazione intermedia, ovvero il regime “misto”. Tra due superfici a contatto hanno luogo delle interazioni che ostacolano il movimento reciproco o che addirittura tendono a tenerle unite. Si possono avere fenomeni di attrazione elettrostatica, formazione di legami chimici locali, veri e propri “ancoraggi” tra le microasperità e adsorbimenti fisici. A livello atomico possono addirittura verificarsi fenomeni di diffusione. La lubrificazione costituisce nell’inserire comunque, tra le due superfici metalliche, uno strato di qualcosa di scivoloso (e quindi con basso coefficiente di attrito) e dotato di una adeguata capacità di carico. I lubrificanti solidi sono costituiti da più strati che scorrono uno sull’altro con una resistenza estremamente ridotta.

Quando, come avviene quasi sempre, per lubrificare le parti si impiega olio, è lo spessore dello strato che esso forma a determinare il regime di lubrificazione.

Le proprietà tribologiche di un olio sono dunque quelle che consentono il movimento con il minimo attrito possibile di una parte su di un’altra, in presenza di contatti più o meno estesi (regimi limite e misto), ma senza che avvenga un vero galleggiamento. Si tratta fondamentalmente della cosiddetta lubricity (adesione alla superficie metallica più “scivolosità”), che già l’olio base deve possedere in larga misura ma che viene esaltata da appositi additivi detti untuosanti.

Oli e additivi

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Gli additivi antiusura agiscono diminuendo il coefficiente di attrito e proteggendo i componenti quando le condizioni di lavoro diventano più gravose (maggiori pressioni di contatto, temperature locali più alte). Questa azione la svolgono formando, grazie a reazioni tribochimiche, un tenace film protettivo che aderisce alle superfici metalliche. Gli additivi EP agiscono quando localmente le condizioni sono ancora più severe. In questo caso il tribofilm si forma grazie a reazioni tra l’additivo e il substrato metallico.

La maggior parte delle perdite per attrito nel motore hanno luogo tra i gruppi pistone-segmenti e le canne dei cilindri. Logico che gli studi e le ricerche, oggi più intensi che mai, interessino principalmente questi organi. Ridurre tali perdite è una esigenza primaria per contenere i consumi e quindi le emissioni di CO2. Nei motori di alte prestazioni un rendimento meccanico migliore consente di ottenere una maggiore potenza. Si lavora sui nuovi lubrificanti, come certi glicol, che hanno già interessanti applicazioni a livello industriale.

Gran parte delle attenzioni dei tecnici del settore si è da tempo focalizzata sui nanolubrificanti, ovvero sugli additivi costituiti da particelle aventi dimensioni di alcuni nanometri soltanto. È opportuno qui ricordare che il micron (o micrometro) è un millesimo di millimetro e che il nanometro è un millesimo di micron (e quindi un milionesimo di millimetro!). E occorre anche dire che le ricerche e gli studi interessano tutti i lubrificanti e non soltanto quelli destinati ai motori a combustione interna. Uno stesso additivo può fornire eccellenti risultati in certi campi ma può non andare bene in altri.

In laboratorio un prodotto può fornire eccellenti prestazioni, ma sono poi sempre replicabili in altri contesti? Nel lungo termine e in condizioni gravose l’adesione del tribofilm al substrato si rivelerà adeguata? Nei motori i riporti di PTFE non si usano per questo motivo mentre sono eccellenti in altre applicazioni. I procedimenti produttivi sono industrializzabili agevolmente? E per quanto riguarda i costi? Vanno poi fatte anche considerazioni relative alla stabilità chimica alle alte temperature e alla eventuale tendenza delle particelle ad agglomerarsi.